一种用于月基连续取芯的护壁、装备以及方法

1.本发明涉及月球探测应用技术领域，尤其涉及的是一种用于月基连续取芯的护壁、装备以及方法。


背景技术：

2.月球资源丰富，是解决地球能源危机的理想之地。月球取芯为月球资源勘探评估提供了基础，不仅可以获得保存了数百万年的岩芯或粉末样品，而且可为热流探头和中子能谱仪等原位科学仪器提供实验样品。因此，月壤采集具有重大战略意义。
3.但是现有取芯仍存在技术壁垒，特别是松散月壤环境下的孔壁稳定性等问题亟需攻关。各国月球探矿计划取芯很难突破月球表土层,未能取得真正月球样品，尤其是月球深部岩石样品，如apollo15钻至150cm后扭矩剧增，apollo16在72～80cm段无样品，取样最深的apollo17月基取芯最深为3.05m。其主要原因之一是孔壁稳定性问题。而nasa正在构想实施的下一轮美国探月计划，将实现10米深的月基钻探。先进的月基护壁技术是确保我国开发月球资源、建设月球基地的重要技术保障。护壁是一种通过一定方法修复钻孔、隔离漏失、防止缩径、破碎、掉块、坍塌等的技术手段。常规护壁技术如泥浆护壁是采用泥浆作为冲洗液，钻进过程中，在钻孔孔壁上形成一层薄薄的泥皮，防止冲洗液中的水分向钻孔孔壁不断渗透，引起地层的膨胀或垮塌。
4.但针对月球特殊环境，可用资源极度匮乏，现有的泥浆护壁在月基上使用时，松散的土质难以提供恒定的泵压及原料，因此，现有的护壁技术不能用于月基取芯中。
5.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于月基连续取芯的护壁、装备以及方法，解决现有技术中的护壁技术不能用于月基取芯中的问题。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种用于月基连续取芯的护壁，包括：多个护壁套筒，多个护壁套筒从内到外依次套设；
9.紧固机构，紧固机构设置在护壁套筒的下端，且用于与另一位于内侧的护壁套管的上端进行固定连接。
10.进一步，护壁套筒的下部内壁上开设有安装槽，以及贯通护壁套筒的内壁的按压孔，按压孔与安装槽相通；
11.紧固机构包括：按压块，按压块可活动设置在按压孔内，且部分凸出于按压孔的外侧开口；
12.铰接杆，铰接杆铰接在安装槽的槽壁上，且一端活动连接在按压块上；
13.紧固部，紧固部活动部分凸出于安装槽的内开口并沿径向可滑移设置，且铰接杆的另一端活动连接紧固部；
14.弹性件，弹性件一端连接紧固部，另一端连接安装槽朝向外侧的内壁上。
15.进一步，紧固部朝向内的侧面设置为斜面，斜面沿从上至下的方向逐渐靠近中轴线延伸设置；
16.紧固部朝向外的侧面上设置有导向柱，安装槽朝向外侧的内壁上开设有导向孔，导向柱嵌于导向孔内；
17.弹性件为弹簧，弹簧套设在导向柱上。
18.进一步，铰接杆的上端开设有第一条形槽，按压块上设置有第一连接柱，第一连接柱位于第一条形槽内滑移；
19.铰接杆的下端开设有第二条形槽，紧固部上设置有第二连接柱，第二连接柱位于第二条形槽内滑移。
20.进一步，紧固机构设置有两个，两个紧固机构相对于中轴线呈镜像对称设置。
21.进一步，护壁套筒的外壁上设置有外螺纹。
22.基于相同的构思，本发明还提出一种用于月基连续取芯的装备，其中，包括如上的用于月基连续取芯的护壁；
23.登陆肩，登陆肩位于护壁套筒内，并用于通过侧向膨胀而固定月基取芯钻机在护壁套筒内的位置；以及
24.机械手，机械手用于取放月基取芯钻机和护壁套筒。
25.进一步，用于月基连续取芯的装备还包括：套筒架，套筒架上开设有多个定位孔，多个定位孔对应容纳多个用于月基连续取芯的护壁。
26.基于相同的构思，本发明还提出一种用于月基连续取芯的方法，其中，用于如上的用于月基连续取芯的装备，包括步骤：
27.将护壁套筒与月基取芯钻机一起下到预定位置；
28.登陆肩膨胀，将月基取芯钻机的顶部固定在护壁套筒的内壁上；
29.启动月基取芯钻机，使钻具沿顺时针方向回转，直至钻具到达预定条件时停止回转；
30.取消登陆肩，下放打捞器，并通过打捞器的连接装置上拉出月基取芯钻机及取样器所取的岩样，保留第一护壁套筒维持钻孔稳定；
31.启动机械手，将月基取芯钻机提升至月表；
32.机械手拿取另一个护壁套筒及另一取样器；
33.将另一个护壁套筒套设在上一个护壁套筒内，并与月基取芯钻机一起下放，
34.依次循环执行步骤“登陆肩膨胀，将月基取芯钻机的顶部固定在护壁套筒的内壁上”到步骤“将另一个护壁套筒套设在上一个护壁套筒内，并与月基取芯钻机一起下放”，直至达到预期取样深度后停止。
35.进一步，将护壁套筒与月基取芯钻机一起下到预定位置的步骤之后，还包括步骤：
36.通过机械手将护壁套筒与月基取芯钻机一起上下活动数次；
37.在启动月基取芯钻机，使钻具沿顺时针方向回转，直至钻具到达预定条件时停止回转的步骤中：
38.钻具通过泵压或电动的驱动方式将转速逐渐增加至60r/min；
39.停止回转的预设条件为：钻机无法继续向下钻进或扭矩与上提力减少到预定阈值
时。
40.有益效果：与现有技术相比，本发明提出的一种用于月基连续取芯的护壁、装备以及方法，其中护壁通过多个护壁套筒进行依次套设，且通过一个护壁套筒的下端的紧固机构对与之套设的另一个护壁套筒的上端进行固定，在形成套设的同时，也使相邻两个护壁套筒形成首尾相接。这样多个护壁套筒进行套接后，当对深度较大的月球土壤层进行取样时，通过拼接的护壁套筒保护钻孔所形成的孔壁，使孔壁不易塌陷。本护壁使用简单，可结合控制系统实现远程操控，采用逐段拼接的形式，节约了空间；使用简单的结构，其零件少，可以控制总重量，能在保证完成月球深孔护壁的情况下，极大程度地减轻运载负荷，进而为月岩物理化学性质研究及矿产资源勘探奠定基础。因此，通过本用于月基连续取芯的护壁限制月表土体的变形，结构简单，节约空间，逐层拼接，为钻机作业环境提供保障，可靠性好，适用于月球的土壤环境，解决现有技术中的护壁技术不能用于月基取芯中的问题。
附图说明
41.图1为本发明一种用于月基连续取芯的护壁的实施例的护壁套筒的结构示意图；
42.图2为本发明一种用于月基连续取芯的护壁的实施例的局部剖视图；
43.图3为本发明一种用于月基连续取芯的护壁的实施例在使用时的状态示意图；
44.图4为本发明一种用于月基连续取芯的装备的实施例的套筒架的俯视图；
45.图5为本发明一种用于月基连续取芯方法的步骤s100的状态示意图；
46.图6为本发明一种用于月基连续取芯方法的步骤s200的状态示意图；
47.图7为本发明一种用于月基连续取芯方法的步骤s300、步骤s400的状态示意图；
48.图8为本发明一种用于月基连续取芯方法的步骤s500的状态示意图；
49.图9为本发明一种用于月基连续取芯方法的步骤s700的状态示意图。
50.图中各标号：1、护壁套筒；11、外螺纹；12、卡嵌槽；13、安装槽；14、按压孔；101、内层的护壁套筒；102、外层的护壁套筒；2、紧固机构；21、按压块；211、第一连接柱；22、铰接杆；221、第一条形槽；222、第二条形槽；23、紧固部；231、第二连接柱；24、弹性件；25、斜面；26、导向柱；4、套筒架；5、绳索；6、登陆肩；7、月基取芯钻机。
具体实施方式
51.本发明提供了一种用于月基连续取芯的护壁、装备以及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
52.现有技术中通过护壁的方式进行修复钻孔、隔离漏失、防止缩径、破碎、掉块、坍塌等。常规护壁技术有泥浆护壁和钢套管护壁。其中泥浆护壁是采用泥浆作为冲洗液，钻进过程中，在钻孔孔壁上形成一层薄薄的泥皮，防止冲洗液中的水分向钻孔孔壁不断渗透，引起地层的膨胀或垮塌。钢套管护壁是通过钢套管来封隔破碎裂隙地层，保证正常钻进，加深钻孔。但针对月球特殊环境，可用资源极度匮乏，现有的泥浆护壁在月基上使用时，松散的土质难以提供恒定的泵压及原料，不适用在月球上。现有的钢套管重量较大，且当钻深比较大时，钢管所占的空间大，对于运载火箭增加负荷，也不适用在月球上，因此，现有的护壁技术不能用于月基取芯中。
53.为解决上述问题，如图1所示，本实施例提出一种用于月基连续取芯的护壁，用于月球表面的钻孔中，其中包括：多个护壁套筒1，以及紧固机构2。为方便结构描述，护壁套筒1设置为圆柱形，护壁套筒1的中间开设中心通孔；以圆柱形的护壁套筒1的中轴线方向为轴向，垂直于中轴线的方向为径向；护壁套筒1沿轴向延伸设置，以朝向中轴线的方向为内，以远离中轴线的方向为外。本实施例中的多个护壁套筒1从内到外依次套设。护壁套筒1的具体个数根据钻孔的深度大小而进行适应性配置，例如到钻孔深度浅时，可以只采用一个护壁套筒1；当钻孔深度比较深时，可根据深度将2个、3个或更多的护壁套筒1进行依次套设，直至到预设的深度。紧固机构2设置在护壁套筒1的下端，且用于与另一位于内侧的护壁套管的上端进行固定连接。
54.如图1、图2、图3所示，以相邻的两个护壁套筒1为例，其中一个为外层的护壁套筒102，另一个为内层的护壁套筒101。本用于月基连续取芯的护壁的使用过程为：先将外层的护壁套筒102和钻头放入到月表(a区域)上开设的钻孔中，钻孔位于月岩(b区域)内。通过外层的护壁套筒102对孔壁进行保护，使钻头能顺利进行钻孔；第一段钻孔的过程中，通过取样器获取岩样，第一段钻孔完成后，取出钻机与取样器，将内层的护壁套筒101和钻机一起下放到外层的护壁套筒102内，继续进行钻孔，这样内层的护壁套筒101下降到紧固机构2的对接位置，从而在最外层的紧固机构2的下端进行固定，实现内层的护壁套筒101和外层的护壁套筒102进行固定套接。通过同样的方式，多个护壁套筒1由外至内，依次进行下放和拼接。从而适应钻孔的孔深，通过拼接的护壁套筒1保护钻孔所形成的孔壁，使孔壁不易塌陷。
55.本用于月基连续取芯的护壁通过多个护壁套筒1进行依次套设，且通过一个护壁套筒1的下端的紧固机构2对与之套设的另一个护壁套筒1的上端进行固定，在形成套设的同时，也使相邻两个护壁套筒1形成首尾相接。这样多个护壁套筒1进行套接后，当对深度较大的月球土壤层进行取样时，通过拼接的护壁套筒1保护钻孔所形成的孔壁，使孔壁不易塌陷。本护壁使用简单，可结合控制系统实现远程操控，采用逐段拼接的形式，节约了空间；使用简单的结构，其零件少，可以控制总重量，能在保证完成月球深孔护壁的情况下，极大程度地减轻运载负荷，进而为月岩物理化学性质研究及矿产资源勘探奠定基础。因此，通过本用于月基连续取芯的护壁限制月表土体的变形，结构简单，节约空间，逐层拼接，为钻机作业环境提供保障，可靠性好，适用于月球的土壤环境，解决现有技术中的护壁技术不能用于月基取芯中的问题。
56.本实施例中的护壁套筒1采用高强度塑料套管，或塑料膨胀套管。高强度塑料套管或塑料膨胀套管，其强度高、质量轻，可防止月表钻孔的塌陷，并且便于火箭运载。
57.如图1、图2所示，本实施例中的护壁套筒1的外壁上设置有外螺纹11，外螺纹11的螺旋方向与钻机旋转方向相同。在放入护壁套筒1时，可以将护壁套筒1旋转拧入到钻孔中，这样不用很大的驱动力就能将护壁套筒1植入到钻孔中，而且通过外螺纹11也可以增加护壁套筒1的结构强度，外螺纹11与钻孔的内壁进行贴合，使护壁套筒1在钻孔内的固定也更稳定，与钻孔的方向保持一致，在钻孔内的方向不易偏移。
58.如图1、图2所示，在护壁套筒1的外壁上开设卡嵌槽12，卡嵌槽12沿护壁套筒1的外壁周向环绕一圈，通过外层的护壁套筒102上的紧固机构2卡嵌到内层的护壁套筒101的卡嵌槽12上，从而可使内层的护壁套筒101连接到外层的护壁套筒102上。
59.如图2所示，本实施例中的护壁套筒1的下部内壁上开设有安装槽13，和贯通护壁
套筒1的内壁的按压孔14，按压孔14与安装槽13相通，这样通过安装槽13和按压孔14，使护壁套筒1上形成安装空间，该安装空间用于安装紧固机构2。紧固机构2具体包括：按压块21，铰接杆22，紧固部23，以及弹性件24。按压块21可活动设置在按压孔14内，且部分凸出于按压孔14的外侧开口；按压块21可以沿径向进行内外推动。铰接杆22铰接在安装槽13的槽壁上，且一端活动连接在按压块21上。紧固部23活动部分凸出于安装槽13的内开口并沿径向可滑移设置，且铰接杆22的另一端活动连接紧固部23；弹性件24一端连接紧固部23，另一端连接安装槽13朝向外侧的内壁上。
60.位于内层的护壁套筒101在进入到外层的护壁套筒102内后，通过沿轴向下移，从而内层的护壁套筒101挤压凸出的紧固部23，紧固部23受压沿径向向外移动，从而推动弹性件24压缩，同时推动铰接的铰接杆22进行转动，转动的铰接杆22的上端朝向内移动，带动按压块21沿径向朝内移动。当内层的护壁套筒101的卡嵌槽12移动到外层的护壁套筒102的紧固部23位置时，由于弹性件24的弹力推动，推动紧固部23向内移动，从而使紧固部23卡嵌在卡嵌槽12内，同时向内移动的紧固部23带动铰接杆22回位，回位的铰接杆22推动按压块21回到凸出于外层的护壁套筒102的外表面的位置。这样能通过内层的护壁套筒101的移动而实现自动卡嵌，结构简单，方便控制。当要将内层的护壁套筒101与外层的护壁套筒102进行拆分时，只需要在外侧朝向径向按压按压块21，使按压块21在推力的作用下朝内移动，带动铰接杆22转动，铰接杆22的下端拖动紧固部23朝向外移动，从而脱离出卡嵌槽12，使内层的护壁套筒101脱离外层的护壁套筒102的限制。在紧固部23朝向外移动时压缩弹性件24，当按压的力撤销，紧固部23在弹性件24弹力的作用下回位，实现内层的护壁套筒101的拆分。其拆分过程简单，方便。适用于通过机器人进行护壁套筒1的自动拆装。
61.为使紧固部23与内层的护壁套筒101上的卡嵌槽12连接的更稳固。将紧固部23朝向内的侧面设置为斜面25，斜面25沿从上至下的方向逐渐靠近中轴线延伸设置。紧固部23形成一个楔块，且斜面25是超内下侧倾斜。当内层的护壁套筒101抵靠在斜面25上时，挤压斜面25，使斜面25产生一个径向的分力，从而更容易将紧固部23朝向外侧进行推动。而当紧固部23卡嵌到内层的护壁套筒101上的卡嵌槽12内后，由于紧固部23的下表面是平面，向上挤压紧固部23的下表面，不易沿径向产生分力，从而使内层的护壁套筒101不易松动，实现牢固的固定。
62.为使紧固部23沿径向能平稳移动，需要对紧固部23的移动进行限位导向。具体为：紧固部23朝向外的侧面上设置有导向柱26，安装槽13朝向外侧的内壁上开设有导向孔(图示中未标注)，导向柱26嵌于导向孔内；导向孔沿径向开设，紧固部23通过导向柱26在导向孔为滑移，从而在径向上进行限位导向，使紧固部23只能沿径向进行内外方向移动。
63.本实施例中的弹性件24为弹簧，弹簧套设在导向柱26上。弹簧套设在导向柱26上就能进行安装，其结构形式简单，使用便利。
64.为使铰接杆22能带动按压块21和紧固部23，在铰接杆22的上端开设有第一条形槽221，按压块21上设置有第一连接柱211，第一连接柱211位于第一条形槽221内滑移；当铰接杆22进行转动时，其上端位置在上下方向和前后方向上发生改变，而第一连接柱211在上下方向的位置不变，通过第一连接柱211在沿第一条形槽221滑移的过程中，那么就能驱动第一连接柱211在内外方向上进行位置移动，进而通过内外方向上移动的第一连接柱211带动按压块21沿内外方向移动。铰接杆22的下端开设有第二条形槽222，紧固部23上设置有第二
连接柱231，第二连接柱231位于第二条形槽222内滑移；同样的原理，当铰接杆22进行转动时，其下端位置在上下方向和前后方向上发生改变，而第二连接柱231在上下方向的位置不变，通过第二连接柱231在沿第二条形槽222滑移的过程中，那么就能驱动第二连接柱231在内外方向上进行位置移动，进而通过内外方向上移动的第二连接柱231带动紧固部23沿内外方向移动。
65.如图1、图2所示，本实施例中的紧固机构2设置有两个，两个紧固机构2相对于中轴线呈镜像对称设置。呈镜像对称设置两个紧固机构2能同时在两侧对内层的护壁套筒101进行卡嵌，这样使内层的护壁套筒101固定的更牢固，内层的护壁套筒101与外层的护壁套筒102实现稳定的固定连接。
66.如图3、图4所示，基于相同的构思，本发明还提出一种用于月基连续取芯的装备，其中，包括如上所述的用于月基连续取芯的护壁，登陆肩6，以及机械手。登陆肩6位于护壁套筒1内，并用于通过侧向膨胀而固定月基取芯钻机7在护壁套筒1内的位置，机械手用于取放月基取芯钻机7和护壁套筒1。
67.如图3所示，本装备在使用时，通过位于护壁套筒1内的登陆肩6，进行侧向膨胀后将月基取芯钻机7沿轴向固定在护壁套筒1内，由于登陆肩6的膨胀后挤压产生摩擦力，从而实现对月基取芯钻机7的顶部固定，为月基取芯钻机7提高稳定支撑，从而为月基取芯钻机7的旋转钻进提供反力。
68.在护壁套筒1内壁上设置有粗糙区和润滑区，粗糙区的表面粗糙处理，并用于与登陆肩6相接触，从而通过增大摩擦系数，使登陆肩6膨胀后能产生足够大的摩擦力。润滑区的表面做润滑处理，这样便于与内层的护壁套筒101进行套设，方便内层的护壁套筒101能顺畅的沿外层的护壁套筒102进行下滑。
69.如图4所示，本实施例中用于月基连续取芯的装备还包括：套筒架4，套筒架4上开设有多个定位孔，多个定位孔对应容纳多个用于月基连续取芯的护壁。对应的用于月基连续取芯的护壁设置多个，多个用于月基连续取芯的护壁均连接在套筒架4上，并通过套筒架4进行定位，从而使月球表面的取土壤位置固定，每次下放护壁套筒1时，能安装定位孔的位置进行下放，下放位置不易偏差，实现更准确的取土壤控制过程。
70.基于相同的构思，本发明还提出一种用于月基连续取芯的方法，其中，用于如上所述的用于月基连续取芯的装备，包括以下步骤：
71.步骤s100、将护壁套筒与月基取芯钻机一起下到预定位置。
72.如图5所示，具体为，先确定整个计划用于安放护壁套筒1的区域干净，再将护壁套筒1与月基取芯钻机7一起下到预定位置。
73.步骤s110、通过机械手将护壁套筒与月基取芯钻机一起上下活动数次。
74.具体为，在使用护壁套筒之间，可先钻浅一点的孔，采用机械手将护壁套筒1与月基取芯钻机7一起下放到浅孔中后，并上下活动数次，使最外层的护壁套筒的位置正确，且能达到标准的预设位置，避免因孔壁粗糙而使护壁套筒未到达预设位置而停止下放。
75.步骤s200、登陆肩膨胀，将月基取芯钻机的顶部固定在护壁套筒的内壁上。
76.如图6所示，具体为，登陆肩6可通过充气膨胀，由于挤压产生摩擦力，从而实现月基取芯钻机7的顶部固定，为钻机旋转钻进提供反力。
77.步骤s300、启动月基取芯钻机，使钻具沿顺时针方向回转，直至钻具到达预定条件
时停止回转。
78.如图7所示，具体为，启动月基取芯钻机7沿顺时针方向回转，钻具通过泵压或电动的驱动方式将转速逐渐增加至60r/min，直至钻具到达预定条件时停止回转，停止回转的预设条件为：钻机无法继续向下钻进或扭矩与上提力减少到预定阈值时，该预定阈值可以人为设定，例如当扭矩减少到一定值后停止钻具的转动，或当上提力减少到一定值后停止钻具的转动。
79.步骤s400、取消登陆肩，下放打捞器，并通过打捞器的连接装置上拉出月基取芯钻机及取样器所取的岩样，保留第一护壁套筒维持钻孔稳定。
80.如图8所示，月基取芯钻机7上连接有绳索5，通过打捞器的连接装置上拉出绳索5，从而通过绳索5带出月基取芯钻机7。
81.步骤s500、启动机械手，将月基取芯钻机提升至月表。
82.步骤s600、机械手拿取另一个护壁套筒及另一取样器。
83.步骤s700、将另一个护壁套筒套设在上一个护壁套筒内，并与月基取芯钻机一起下放。
84.步骤s800、依次循环执行步骤s200到步骤s700，直至达到预期取样深度后停止。
85.如图9所示，通过循环执行步骤，月基取芯钻机钻孔不断加深，而对于的将护壁套筒依次进行下放，从而对钻好的孔壁不断进行阻隔并保护，从而通过高强度塑料的护壁套筒限制月表土体的变形，本方案结构简单，节约空间，而且采用逐层拼接，为月基取芯钻机的作业环境提供保障，可靠性好。
86.综上所述，与现有技术相比，本发明提出的一种用于月基连续取芯的护壁、装备以及方法，通过多个护壁套筒进行套接后，当对深度较大的月球土壤层进行取样时，通过拼接的护壁套筒保护钻孔所形成的孔壁，使孔壁不易塌陷。本护壁使用简单，可结合控制系统实现远程操控，采用逐段拼接的形式，节约了空间；使用简单的结构，其零件少，可以控制总重量，能在保证完成月球深孔护壁的情况下，极大程度地减轻运载负荷，进而为月岩物理化学性质研究及矿产资源勘探奠定基础。因此，通过本用于月基连续取芯的护壁限制月表土体的变形，结构简单，节约空间，逐层拼接，为钻机作业环境提供保障，可靠性好，适用于月球的土壤环境，解决现有技术中的护壁技术不能用于月基取芯中的问题。
87.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。